資源簡介

泡利原理、洪特規則、能量最低原理
一、原子核外電子的排布規則
1．電子自旋與泡利原理
(1)電子自旋
①自旋是微觀粒子普遍存在的一種如同電荷、質量一樣的內在屬性，電子自旋在空間有順時針和逆時針兩種取向，簡稱自旋相反，常用上下箭頭(↑和↓)表示自旋相反的電子。
②能層、能級、原子軌道和自旋狀態四個方面共同決定電子的運動狀態，電子能量與能層、能級有關，電子運動的空間范圍與原子軌道有關，一個原子中不可能存在運動狀態完全相同的2個電子。
(2)泡利原理
在一個原子軌道里，最多只容納2個電子，它們的自旋相反。（也稱為泡利不相容原理）
2．電子排布的軌道表示式
(1)軌道表示式
用方框(或圓圈)表示原子軌道，能量相同的原子軌道(簡并軌道)的方框相連，箭頭表示一種自旋狀態的電子，“↑↓”稱電子對，“↑”或“↓”稱單電子(或稱未成對電子)。
(2)書寫要求：
①在軌道表示式中，用方框(也可用圓圈)表示原子軌道，1個方框代表1個原子軌道，通常在方框的下方或上方標記能級符號。
②不同能層及能級的原子軌道的方框必須分開表示，能量相同(同一能層相同能級)的原子軌道(簡并軌道)的方框相連。
③箭頭表示一種自旋狀態的電子，“↑↓”稱電子對，“↑”或 “↓”稱單電子(或稱未成對電子)；箭頭同向的單電子稱自旋平行，如基態氧原子有2個自旋平行的2p電子。
④軌道表示式的排列順序與電子排布式順序一致，即按能層順序排列。有時畫出的能級上下錯落，以表達能量高低不同。
⑤軌道表示式中能級符號右上方不能標記電子數。
(3)書寫示例：
以鋁原子為例，軌道表示式中各符號、數字的意義如下所示：
①在鋁原子中，有6個電子對，1個單電子；
②在鋁原子中，有7種空間運動狀態，13種電子運動狀態。
3．洪特規則
(1)內容：基態原子中，填入簡并軌道的電子總是先單獨分占，且自旋平行。
(2)特例
在簡并軌道上的電子排布處于全充滿、半充滿和全空狀態時，具有較低的能量和較強的穩定性。
相對穩定的狀態
如24Cr的電子排布式為1s22s22p63s23p63d54s1，為半充滿狀態，易錯寫為1s22s22p63s23p63d44s2；基態29Cu的電子排布式為[Ar]3d104s1，易錯寫為[Ar]3d94s2。
4．能量最低原理
(1)內容：在構建基態原子時，電子將盡可能地占據能量最低的原子軌道，使整個原子的能量最低。
(2)說明：
①基態原子的能量最低，故基態原子的電子排布是能量最低的原子軌道組合。
②整個原子的能量由核電荷數、電子數和電子狀態三個因素共同決定，相鄰能級能量相差很大時，電子填入能量低的能級即可使整個原子能量最低(如所有主族元素的基態原子);而當相鄰能級能量相差不太大時，有1~2個電子占據能量稍高的能級可能反而降低了電子排斥能而使整個原子能量最低(如所有副族元素的基態原子)。
【課堂小練1】
1．指出下列核外電子排布的軌道表示式的書寫分別違背了什么原則？
①2p軌道上有3個電子的原子： ________________________。
②2p軌道上有2個電子的原子： ________________________。
③基態P原子：1s22s22p63s23p3p ________________________。
④4s軌道上有2個電子的原子： ________________________。
⑤3d軌道上有8個電子的原子： ________________________。
2.已知錳的核電荷數為25，以下是一些同學繪制的基態錳原子外圍電子的電子排布圖，其中最能準確表示基態錳原子核外電子運動狀態的是 ( )
A． B．
C． D．
3.若將15P原子的電子排布式寫成1s22s22p63s23p3p，它違背了( )
A．能量最低原則 B．泡利不相容原理 C．洪特規則 D．能量守恒原理
【歸納總結】
注意　書寫軌道表示式時，常出現的錯誤及正確書寫
二、核外電子排布的表示方法的比較
原子(核素)符號 含義 在元素符號的左下方標明質子數、左上方標明質量數的一種圖示即為原子符號
實例 O
電子式 含義 化學中常在元素符號周圍用“·”或“×”來表示元素原子的最外層電子，相應的式子叫做電子式
實例
原子(離子)結構示意圖 含義 將每個能層上的電子總數表示在原子核外的式子
實例
電子排布式 含義 用數字在能級符號右上角標明該能級上排布的電子數，這就是電子排布式
實例 K：1s22s22p63s23p64s1
簡化電子 排布式 含義 為了避免電子排布式書寫過于繁瑣，把內層電子達到稀有氣體原子結構的部分以相應稀有氣體元素符號外加方括號表示
實例 K：[Ar]4s1
價電子 排布式 含義 主族元素的價層電子指最外層電子，價層電子排布式即最外層電子排布式
實例 Al：3s23p1
電子排 布圖 含義 每個方框代表一個原子軌道，每個箭頭代表一個電子
實例 Al：
【課堂小練2】
1．下列化學用語的表達正確的是(　　)
A．原子核內有10個中子的氧原子：O
B．氯原子的結構示意圖：
C．基態Fe3＋的最外層電子排布式：3s23p63d5
D．基態銅原子的價層電子軌道表示式：
2.（2023—2024湖南長沙長郡中學高二月考）下列化學用語或圖示表達正確的是
A．基態K原子的核外電子的空間運動狀態共有10種
B．MgCl2的形成過程為
C．基態碘原子簡化電子排布式為[ Kr]5s25p5
D．根據洪特規則可知，電子排布式為1s22s22p2的元素的電子軌道表示式為
3.（2023—2024河北邯鄲高二聯考）堿式碳酸鎂可用于牙膏、醫藥和化妝品等工業，下列說法正確的是
A．基態鎂原子核外電子云有4種不同的伸展方向
B．基態氧原子的電子排布式為
C．穩定性：
D．基態原子的核外電子排布式違反了能量最低原理
4．按要求完成下列填空：
(1)11Na的電子排布式為___________________________________________________；
(2)20Ca的最外層電子排布為_______________________________________________；
(3)35Br－的離子結構示意圖為_______________________________________________；
(4)8O的軌道表示式為_____________________________________________________；
(5)9F的最外層電子軌道表示式為__________________________________________。
【課時對點練習】
題組一　核外電子排布式與軌道表示式
1．下列說法或有關化學用語的表達錯誤的是(　　)
A．s軌道的電子云輪廓圖呈球形，p軌道的電子云輪廓圖呈啞鈴形
B．24Cr的價層電子排布：3d54s1
C．電子排布式(23V)：1s22s22p63s23p63d5違反了洪特規則
D.違反了泡利原理
2．下列軌道表示式所表示的元素原子中，能量處于最低狀態的是(　　)
A. B.
C. D.
3.下列對電子排布式或軌道表示式書寫的評價正確的是( )
選項 電子排布式或軌道表示式 評價
A N原子的軌道表示式： 錯誤；違反洪特規則
B O原子的軌道表示式： 錯誤；違反泡利不相容原理
C K原子的電子排布式： 錯誤；違反能量最低原理
D 的電子排布式： 錯誤；違反能量最低原理
4.下列各項敘述錯誤的是(　　)
A.若基態硫原子核外電子軌道表示式為　，則違反了泡利原理
B.若第25號Mn元素的基態原子電子排布式為1s22s22p63s23p63d7，則違反了構造原理
C.基態氮原子的核外電子軌道表示式為　，符合洪特規則和泡利原理
D.泡利原理、洪特規則、構造原理都是核外電子排布滿足能量最低的條件
5．(2024·河北省承德市高二聯考)下列各項敘述中，正確的是( )
A．鎂原子由1s22s22p63s2→1s22s22p63p2時，原子釋放能量，由基態轉化成激發態
B．外圍電子排布為5s25p1的元素位于第5周期IA族
C．基態氧原子核外電子的運動狀態有8種
D．所有p軌道的形狀相同，大小相等
題組二　核外電子排布規則的應用
6.在前四周期元素中，基態原子有3個未成對電子的元素種數為(　　)
A.3 B．4 C．5 D．6
7.下列四種元素中，其單質氧化性最強的是(　　)
A.原子中2p能級比2s能級多一個電子的第二周期元素
B.位于元素周期表中第三周期第ⅢA族的元素
C.原子最外層電子排布為2s22p6的元素
D.原子最外層電子排布為2s22p5的元素
8.(廣州六中高二期中)某基態原子的核外電子排布式為[Ar]3d104s24p4，下列說法錯誤的是(　　)
A.該元素原子核外共有34個運動狀態不同的電子
B.該元素原子的最高能層符號為N
C.該元素原子核外電子有18種空間運動狀態
D.該元素原子價層電子排布為3d104s24p4
9.在多電子原子中，決定軌道能量的因素是(　　)
①能層　②能級　③電子云的伸展方向　④電子自旋狀態
A.①② B．①④ C．②③ D．③④
10.具有如下電子層結構的原子，其相應元素一定屬于同一主族的是(　　)
A.3p軌道上有2個未成對電子的原子和4p軌道上有2個未成對電子的原子
B.3p軌道上只有1個空軌道的原子和4p軌道上只有1個空軌道的原子
C.最外層電子排布為1s2的原子和最外層電子排布為2s22p6的原子
D.最外層電子排布為1s2的原子和最外層電子排布為2s2的原子
11.下列各組原子中，彼此化學性質一定相似的是(　　)
A.原子核外L能層的未成對電子數與M能層的未成對電子數相等的原子
B.原子核外M能層上僅有兩個電子的X原子與原子核外N能層上僅有兩個電子的Y原子
C.2p能級只有1個空軌道的X原子和3p能級只有1個空軌道的Y原子
D.最外層都只有一個電子的X、Y原子
12.某核素核外共有15個不同運動狀態的電子，下列說法正確的是(　　)
A.若將該原子的電子排布式寫成1s22s22p63s23p3p，它違背了泡利原理
B.原子中所有的電子占有3個能級，9個軌道
C.該元素的最高價氧化物對應的水化物為兩性氫氧化物
D.該基態原子中能量最高的電子的電子云輪廓圖的形狀為啞鈴形
13．根據原子核外電子排布規律，回答下列問題：
(1)寫出基態S原子的核外電子排布式：　　　　；寫出基態24Cr原子的價層電子排布式：　　　　　。
(2)畫出基態N原子的核外電子排布圖：　　　　　　　　　　　。
(3)若將基態14Si的電子排布式寫成1s22s22p63s33p1，則它違背了　　　　　　　　　。
(4)Fe3+比Fe2+的穩定性　　　　　　　(填“強”或“弱”)，從結構上分析原因是　　　　　　　　。
14.按要求完成下列各題。
(1)Fe成為陽離子時首先失去________軌道電子，Sm的價層電子排布為4f66s2，Sm3＋的價層電子排布為________。
(2)基態Cu2＋核外電子排布式為______________________________________________。
(3)下列Li原子軌道表示式表示的狀態中，能量最低和最高的分別為________、________(填字母)。
A. B.
C. D.
15．完成下列各題：
(1)N的基態原子核外電子排布式為________；Cu的基態原子最外層有________個電子。
(2)釩(23V)是我國的豐產元素，廣泛用于催化及鋼鐵工業。釩在元素周期表中的位置為________________，其價層電子的軌道表示式為________________。
(3)Na位于元素周期表第________周期第________族；S的基態原子核外有________個未成對電子；Si的基態原子核外電子排布式為________。
(4)Cu＋基態核外電子排布式為________________。
(5)基態Fe原子有________個未成對電子，Fe3＋的電子排布式為________________。
(6)31Ga基態原子的核外電子排布式是________________。
(7)鋁原子核外電子云有________種不同的伸展方向，有________種不同運動狀態的電子。
(8)基態Mn2＋的核外電子排布式為________________。
(9)Se原子序數為________，其核外M層電子的排布式為________。
(10)可正確表示原子軌道的是________。
A．2s B．2d C．3pz D．3f
【參考答案】
【課堂小練1】
1.①②③⑤違背了洪特規則，當電子排布在同一能級的不同軌道上時，原子中的電子總是優先單獨占據一個軌道，且自旋平行；④違背了泡利原理，一個原子軌道最多只能容納2個電子，而且這2個電子的自旋相反。
2.【答案】D
【解析】根據洪特規則知，電子在能量相同的原子軌道上排布時，應盡可能分占不同的軌道且自旋狀態相同，故排除A、C兩項；根據泡利原理知，一個原子軌道最多容納2個電子，且自旋狀態相反，故排除B項。
3.【答案】C
【課堂小練2】
1.答案　C
解析　原子核內有10個中子的氧原子的質量數為10＋8＝18，應該表示為O，故A錯誤；氯原子核外電子總數為17，則氯原子的結構示意圖為，故B錯誤；鐵為26號元素，鐵離子最外層電子數為13，根據構造原理可得基態Fe3＋的最外層電子排布式為3s23p63d5，故C正確；Cu是29號元素，其原子核外有29個電子，基態原子價層電子排布式為3d104s1，基態銅原子的價層電子軌道表示式為，故D錯誤。
2.【答案】A
【解析】基態K原子的核外電子排布式為：，共占據10個軌道，其空間運動狀態共有10種，A項正確；MgCl2的形成過程中，Mg原子失電子，Cl原子得到電子，箭頭寫反了，B項錯誤；基態碘原子為53號，簡化電子排布式為，C項錯誤；根據洪特規則和泡利原理，電子排布式為的元素的電子軌道表示式為，D項錯誤。
3.【答案】A
【解析】基態鎂原子核外電子云有s、p兩種軌道，s軌道只有1種伸展方向，p軌道有3種伸展方向，故共有4種不同的伸展方向，A項正確；基態氧原子的電子排布式為1s22s22p4，B項錯誤；非金屬性越強，其氣態氫化物的穩定性越強，非金屬性：O>C，則氣態氫化物的穩定性：H2O>CH4，C項錯誤；基態6C原子的核外電子排布式違反了洪特規則，應為，D項錯誤。
4.答案　(1)1s22s22p63s1　(2)4s2　(3)
(4)
(5)
【課時對點練習】
1.答案　C
解析　Cr原子核外有24個電子，根據構造原理書寫，基態Cr的原子價層電子排布：3d54s1，故B正確；電子排布式(23V)：1s22s22p63s23p63d5，違反了構造原理，故C錯誤；中1s軌道和2s軌道中容納自旋相同的電子，違反了泡利原理，故D正確。
2.答案　C
解析　要使各原子的能量處于最低狀態(即基態)，核外電子排布必須遵循泡利原理、洪特規則、能量最低原理。A項，2s軌道沒有排滿電子就排在了2p、3s軌道上，能量不是最低的；B項，2p軌道上的電子排布不符合洪特規則，三個電子各占一個p軌道且自旋狀態相同時，能量最低；C項，2p3為半充滿狀態，能量最低；D項，2p軌道未排滿就排3s軌道，能量不是最低的。
3.【答案】C
【解析】A項，相同軌道中的兩個電子運動方向相反，違反了泡利不相容原理，A不符合題意；B項，電子應先充滿同能級的軌道，違反了洪特規則，B不符合題意；C項，K原子的電子排布式：1s22s22p63s23p64s1，違反能量最低原理，C符合題意；D項，Br-的電子排布式：[Ar]3d104s24p6，正確，評價錯誤，D不符合題意；故選C。
4.答案　A
解析　3p軌道電子排布違反了洪特規則，故A錯誤；第25號Mn元素的基態原子電子排布式為1s22s22p63s23p63d54s2，若寫成1s22s22p63s23p63d7，則違反了構造原理，故B正確。
5.【答案】C
【解析】A項，鎂原子由1s22s22p63s2→1s22s22p63p2，由基態轉化成激發態，是吸收能量，A錯誤；B項，外圍電子排布為5s25p1的元素是In元素，最外層3個電子，位于第5周期IIIA族，B錯誤；C項，基態氧原子核外有8個電子，電子的運動狀態有8種，C正確；D項，不同能層的p軌道大小不同，形狀相同，D錯誤；故選C。
6.答案　C
解析　在前四周期元素中，基態原子有3個未成對電子的元素分別為N、P、As、V、Co，共5種元素。
7.答案　D
解析　A項，價層電子排布為2s22p3，為N元素；B項，該元素為Al元素；C項，該元素為Ne元素；D項，該元素為F元素，F2的氧化性最強，D項正確。
8.答案　D
解析　由基態原子的核外電子排布式為[Ar]3d104s24p4可知，該元素的原子序數為34，是位于元素周期表第四周期第ⅥA族的硒元素。由泡利原理可知，同一原子核外不可能有運動狀態完全相同的電子，則硒原子的原子核外共有34個運動狀態不同的電子，故A正確；由電子排布式可知，硒原子的最高能層符號為N，故B正確；由電子排布式可知，硒原子的核外電子占據1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s、4p軌道，核外電子有18種空間運動狀態，故C正確；硒元素位于元素周期表第四周期第ⅥA族，價層電子排布為4s24p4，故D錯誤。
9.答案　A
解析　多電子原子中，在電子填充原子軌道時，形狀相同的原子軌道，能層序數越大，軌道的能量越高，如E(1s)＜E(2s)＜E(3s)＜E(4s)；相同能層不同能級的原子軌道能量高低：E(ns)＜E(np)＜E(nd)＜E(nf)……；同一能級的原子軌道具有相同的能量，如E(npx)＝E(npy)＝E(npz)，因此軌道的能量是由能層和能級決定的，與電子云的伸展方向、電子自旋狀態無關，A正確。
10.答案　B
解析　p軌道有3個原子軌道，最多可以容納6個電子，根據泡利原理和洪特規則，當p軌道上有2個電子或4個電子時，p軌道上均有2個未成對電子，所以可能是第ⅣA族元素，也可能是第ⅥA族元素，故A錯誤；p軌道上有1個空軌道，說明另外2個軌道各容納了1個電子，加上s軌道上的2個電子，最外層是4個電子，屬于第ⅣA族元素，故B正確；最外層電子排布為1s2和2s22p6的原子，二者都是稀有氣體元素，但不屬于主族元素，故C錯誤；最外層電子排布為1s2的原子為He，位于0族，而最外層電子排布為2s2的原子是Be，屬于第ⅡA族元素，故D錯誤。
11.答案　C
解析　A項，L能層(M能層)只有1個未成對電子的原子可能是Li或F(Na或Cl)等，L能層(M能層)有2個未成對電子的可能是C或O(Si或S)；B項，X為Mg，Y可能為Ca、Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Zn；C項，X為C，Y為Si；D項，最外層只有1個電子的原子中氫原子與堿金屬元素原子化學性質不相似。
12.答案　D
解析　某核素核外共有15個不同運動狀態的電子，則該原子為P原子，其基態原子核外電子排布式為1s22s22p63s23p3；若將該原子的電子排布式寫成1s22s22p63s23p3p，它違背了洪特規則，A錯誤；該原子中所有原子占有1s、2s、2p、3s、3p共5個能級，9個軌道，B錯誤；該元素的最高價氧化物對應的水化物H3PO4為中強酸，C錯誤；該基態原子中能量最高的電子處于3p能級，p電子云輪廓圖的形狀為啞鈴形，D正確。
13.【答案】(1)1s22s22p63s23p4或[Ne]3s23p4　3d54s1
(2)
(3)泡利原理　
(4)強　Fe3+的價層電子排布式為3d5，3d能級處于半滿狀態，故更穩定
【解析】(1)基態S原子的核外電子排布式為1s22s22p63s23p4或[Ne]3s23p4；Cr的價層電子排布式為3d54s1。(2)N位于元素周期表第二周期第ⅤA族，根據泡利原理和洪特規則，其核外電子排布圖為 。(3)s能級上只有一個原子軌道，每個原子軌道最多容納2個電子，而題目所給的電子排布式中的3s能級上有3個電子，違背了泡利原理。(4)Fe2+的價層電子排布式為3d6，Fe3+的價層電子排布式為3d5，3d能級處于半滿狀態時比較穩定，因此Fe3+比Fe2+穩定。
14.答案　(1)4s　4f5
(2)1s22s22p63s23p63d9(或[Ar]3d9)　(3)D　C
解析　(1)基態Fe原子的核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d64s2，Fe失去電子生成陽離子時電子從外到內依次失去，所以成為陽離子時首先失去4s軌道電子；Sm的價層電子排布為4f66s2，該原子失去電子生成陽離子時應該先失去6s軌道電子，后失去4f軌道電子，Sm3＋的價層電子排布為4f5。
(2)Cu原子核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d104s1,4s與3d能級各失去1個電子形成Cu2＋，基態Cu2＋核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d9或[Ar]3d9。
(3)電子處于基態時能量最低，處于激發態時能量較高，D選項為基態Li原子核外電子軌道表示式，故能量最低，A、B、C均為激發態，C中有2個電子處于2p能級上，能量最高。
15.【答案】(1)1s22s22p3　1
(2)第四周期第ⅤB族　
(3)三　ⅠA　2　1s22s22p63s23p2或[Ne]3s23p2　(4)1s22s22p63s23p63d10或[Ar]3d10
(5)4　1s22s22p63s23p63d5或[Ar]3d5
(6)1s22s22p63s23p63d104s24p1或[Ar]3d104s24p1
(7)4　13　(8)1s22s22p63s23p63d5或[Ar]3d5
(9)34　3s23p63d10　(10)AC
【解析】(1)N元素的原子序數為7，基態原子的核外電子排布為1s22s22p3；Cu元素位于第四周期ⅠB族，基態原子核外電子排布為1s22s22p63s23p63d104s1，最外層有1個電子；(2)釩在元素周期表中的位置為第四周期ⅤB族，其價層電子排布式為3d34s2，根據洪特規則和泡利原理，價層電子的軌道表示式為：；(3)Na()元素位于元素周期表第三周期第ⅠA族；Si原子核外電子數為14，基態原子核外電子排布式為1s22s22p63s23p2；(4)Cu為29號元素，基態原子核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d104s1，Cu＋的基態核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d10；(5)基態Fe原子核外電子排布為1s22s22p63s23p63d64s2，所以有4個未成對電子，失去2個4s電子、1個3d電子形成Fe3＋，其電子排布式為1s22s22p63s23p63d5；(7)鋁原子核外電子云有s、p，分別有1、3種共4種伸展方向；其核外有13個電子，則有13種不同運動狀態的電子；(8)Mn的核外電子數為25，基態Mn2＋的核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d5或[Ar]3d5；(9)Se位于第四周期，與S的原子序數相差18，故其原子序數為34；其核外M層有18個電子，故M層的電子排布式為3s23p63d10；(10)L能層只有2s、2p能級，M能層只有3s、3p、3d能級，故選A、C。

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